(57)【要約】【課題】高周波通信装置の半導体基板を小形にするには、放射素子に螺旋状導体を用いるが、地導体板上に放射素子を配置する場合、地導体板と放射素子の間隔を取る必要があり、電波の放射方向も一様でなくなる。また、半導体基板の厚みに自由度が少なく、放射効率などの最適化が難しい。【解決手段】基板と、らせん状の導体と、地導体板からなり、基板の少なくも一つの面に上記地導体板が形成され、同じ面の地導体板のない部分、あるいはもう一方の面の、地導体板と対向しない部分に、先のらせん状の導体が形成され、らせん状の導体の一端が高周波信号の入出力端子に接続されることで、地導体板が放射を妨げず、基板の垂直面内の放射パターンを均一にでき、地導体板と放射部の距離が自由になり、基板を厚くせずに放射効率を向上できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、らせん状の導体と、地導体板からなり、基板の少なくも一つの面に上記地導体板が形成され、同じ面の地導体板のない部分、またはもう一方の面の、地導体板と対向しない部分に、上記らせん状の導体が形成され、らせん状の導体の一端が、らせん状の導体形成面に形成された高周波回路の高周波信号入出力端子に接続されていることを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項２】
基板と、らせん状の導体と、地導体板からなり、基板の少なくも一つの面に上記地導体板が形成され、同じ面の地導体板のない部分、またはもう一方の面の、地導体板と対向しない部分に、上記らせん状の導体が形成され、らせん状の導体の一端が、らせん状の導体形成面に形成された高周波回路の高周波信号入出力端子に接続され、もう一端が直接あるいはコンデンサを介して上記地導体板に接続されていることを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項３】
基板と、らせん状の導体と、地導体板からなり、基板の少なくも一つの面に上記地導体板が形成され、同じ面の地導体板のない部分、またはもう一方の面の、地導体板と対向しない部分に、上記らせん状の導体が形成され、らせん状の導体の両端が、らせん状の導体形成面に形成された高周波回路の高周波信号入出力端子に接続され、かつ上記らせん状の導体の途中にコンデンサが装荷されていることを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項４】
上記請求項１、２または３の何れか１項に記載の、らせん状の導体が上記地導体板を取り囲むように配置されたことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項５】
上記請求項１から４の何れか１項に記載の、らせん状の導体の軸の方向がある一つの方向を向いている導体の長さと、その方向と直交する方向を向いている導体の長さがほぼ等しいことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項６】
上記請求項１から５の何れか１項に記載の、らせん状の導体を分割し、それぞれのらせん状導体間を直線状の導体線路で接続し、ある一瞬において、らせん状の導体のそれぞれの軸方向の電流の向きが同じ方向を向くように、上記直線状の導体線路を配線し、らせん状の導体との接続位置を決定したことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項７】
上記請求項１から６の何れか１項に記載の、らせん状の導体のピッチを高周波信号の入出力端子の近くでは疎に、地導体板に接続されている部分またはらせん状導体に装荷されたコンデンサの近くでは密になるようにしたことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項８】
上記請求項１から６の何れか１項に記載の、らせん状導体のらせん径を高周波信号の入出力端子の近くでは小さく、地導体板に接続されている部分またはらせん状導体に装荷されたコンデンサの近くでは大きくなるようにしたことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項９】
上記請求項７または８に記載の、らせん状導体と地導体板の距離を高周波信号の入出力端子の近くでは狭くし、徐々に地導体板から離れるようにし、もう一端の地導体板との接続部の少し手前から地導体板の方向に曲げたことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項１０】
上記請求項７または８に記載の、らせん状導体と地導体板の距離を高周波信号の入出力端子の近くでは狭くし、徐々に地導体板から離れるようにし、もう一端の地導体板との接続部の少し手前から地導体板の方向に曲げ、直接あるいはコンデンサを介して地導体板に接続したことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項１１】
上記請求項１から１０の何れか１項に記載の、高周波信号の入出力部と接続されていない第２のらせん状導線を同一基板上に設けたことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項１２】
上記請求項１から１０の何れか１項に記載のらせん状導体を、基板に２列に並べて開けた貫通導体を基板の両面で互い違いに接続することで得たことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項１３】
上記請求項１から１０の何れか１項に記載のらせん状導体を、高周波回路の作製されたシリコン基板上に２列に並べて開けた貫通導体を基板の両面で互い違いに接続することで得たことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項１４】
上記請求項１から１０の何れか１項に記載のらせん状導体を、シリコン基板上に設けた、らせん状導体と同じ幅を持つ窪みの底面に配置した線状導体と、その窪みの上面を橋渡しするように設けた線上導体を交互に接続することで得たことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【請求項１５】
上記請求項１２から１４の何れか１項に記載のらせん状導体の貫通導体の間、またはらせん導体の隙間に、中空または誘電率の低い材料を充填した貫通構造を設けたことを特徴とするアンテナ一体化基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は高周波通信装置に用いられる基板上にらせん状の導線を電波の放射部として、高周波回路と一体形成したアンテナ一体化基板関するものである。
【背景技術】
【０００２】
数百MHｚの周波数を用いる通信装置では全長が数十センチから数メートルのアンテナが必要であり、小型化は困難である。一方で、無線を用いたID(Identification)タグなど、半導体基板サイズの通信装置の実現が強く望まれている。
一般的な通信装置では、らせん状に巻いた導線をアンテナの一部に用いることで、物理的な長さを短くする工夫がよく用いられる。また、アンテナの途中や先端にコンデンサを接続して、共振周波数を下げることで、等価的にアンテナの長さを短くする工夫もよく用いられる。
これとは別に小型化の技術として、RF-MEMS(Radio Frequency-Micro Electro Mechanical System)デバイスと呼ばれる微細加工により作製したヘリカル状の導体パターンも報告されている。
【０００３】
【非特許文献１】西野  有、李  相錫、吉田  幸久、高木  直、「マイクロマシン技術によるマイクロヘリカルインダクタ」、電子情報通信学会総合大会、2004、p82
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
数百MHｚ以下の周波数を利用する通信装置を半導体基板サイズで実現するには、らせん状の導線を放射素子として用いることが考えられるが、地導体板上に放射素子を配置する場合、地導体板と放射素子の間隔を取る必要があり、また、電波の放射方向も一様でなくなる。また、半導体基板の厚みに自由度が少ないため、放射の効率などを最適にすることが難しい。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、地導体板を半導体基板の一部分に配置し、らせん状の導線を地導体板の周囲、あるいは半導体基板上の地導体板のない部分に配置することで、地導体板の影響を少なくし、電波の放射方向を均一にし、かつ地導体板とらせん状の導線の間隔が容易に変えられることにより、放射の効率を向上することができる。
半導体基板上にらせん状の導体を作製するために、半導体基板に貫通導体を作製し、基板の両面で交互に接続することでらせん状の導線を得ることができる。
また、その際に低い誘電率の材料で充填された別の貫通構造を、らせん状の導線の線間に作製することで、等価的な誘電率を下げ、放射の効率を高めることができる。
また、シリコン基板上に穿った中空キャビティの底面と、キャビティの上面に作製した別の線路を交互に接続することでらせん状の導線を得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るアンテナ一体化基板は、基板と、らせん状の導体と、地導体板からなり、基板の少なくも一つの面に上記地導体板が形成され、同じ面の地導体板のない部分、あるいはもう一方の面の、地導体板と対向しない部分に、上記らせん状の導体が形成され、らせん状の導体の一端が高周波信号の入出力端子に接続される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明のアンテナ一体化高周波半導体基板は、半導体基板上の地導体板の周囲にらせん状の放射導体を設けているので、地導体板が放射を妨げることが無く、基板の垂直面内の放射パターンを均一にでき、また、地導体板と放射部の距離を自由に設計できるので、基板を厚くすること無く、放射効率を向上することができる。また、らせん状の導体の向きを半導体基板内の場所に応じて変えることで、基板面内の放射パターンを均一にできる。また、らせん状の導線のピッチ、コイル径を変えることで、放射導体のインピーダンスを給電点からの距離に従って低くすることができ、小型化が図れる。
【０００８】
また、半導体基板上にらせん状の導体を作製するために、半導体基板に貫通導体を作製し、基板の両面で交互に接続することで半導体基板と一体化したらせん状の導線を得ることができる。また、その際に低い誘電率の材料で充填された別の貫通構造を、らせん状の導線の線間に作製することで、等価的な誘電率を下げ、放射の効率を高めることができる。また、シリコン基板上に穿った中空キャビティの底面と、キャビティの上面に作製した別の線路を交互に接続することでも半導体基板と一体化したらせん状の導線を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１のアンテナ一体化基板を示す図である。発明に係るアンテナ一体化基板は、高周波回路が作製された半導体基板１０と、半導体基板１０上に作製された地導体板１１と、半導体基板１０上に作製されたらせん状の放射素子１２と、らせん状の放射素子１２の一端に接続された高周波の給電点１３と、らせん状の放射素子１２のもう一端と地導体板１１の間に接続されたコンデンサ１４からなる。また、高周波回路は半導体基板１０上の地導体板１１の作製された面と反対側の面に直接作製されているか、あるいは別の基板に作製され、当該面に実装されている。
【００１０】
次に動作について説明する。
高周波回路で発生された高周波信号は給電点１３で放射素子１２に伝達される。放射素子１２とコンデンサ１４は、利用周波数Fにおいて、給電点１３からみた放射素子１２のインピーダンスが短絡になるようにコンデンサ１４の値が決められており、従って、放射効率は最大となる。
【００１１】
先の動作は受信時も同様である。
【００１２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２のアンテナ一体化基板を示す図である。発明に係るアンテナ一体化基板は、高周波回路が作製された半導体基板２０と、半導体基板２０上に作製された地導体板２１と、半導体基板２０上に作製され、地導体板２１を周回するように配置されたらせん状の放射素子２２と、らせん状の放射素子２２の両端間に設けられた給電点２３と、らせん状の放射素子２２の中央に接続されたコンデンサ２４からなる。また、高周波回路は半導体基板２０上の地導体板２１の作製された面と反対側の面に直接作製されているか、あるいは別の基板に作製され、当該面に実装されている。
【００１３】
次に動作について説明する。
高周波回路で発生された高周波信号は給電点２３で放射素子２２に伝達される。放射素子２２とコンデンサ２４は、利用周波数Fにおいてほぼ2分の1波長になるようにコンデンサ２４の値が決められており、従って給電点２３からみた放射素子２２のインピーダンスは短絡になり、放射効率は最大となる。
【００１４】
先の動作は受信時も同様である。
【００１５】
このとき、図３のように、コンデンサ２４の倍の容量値を持つコンデンサ３０とコンデンサ３１と、両コンデンサの間と地導体板を接続する接続部３２を用いても同様な効果が得られる。このとき、放射素子２２の片側が遮蔽物に遮られても、もう一方の放射素子２２から電波を放射することができる。また、利用周波数がさらに低い場合には、らせん状の導線３４のように地導体板の周囲で蛇行させることで、インダクタンス値を大きくし、コンデンサの値を大きくする方法に比べて放射効率の低下を抑えることができる。
【００１６】
また、図４のように、らせん状の導線の一部の導線３５を軸方向が基板面内で直交する向きを変え、それぞれの軸方向に対応する放射電力が等しくなるようにすることで、放射パターンを均一にすることができる。
【００１７】
また、図５のように、らせん状の導線を分割し、分割したらせん状の導線間を放射の少ない直線状の導線４０により接続し、らせん状の導線４１と４２に流れる電流の向きが常に同じ向きを向くように、らせん状の導線４３と４４に流れる電流の向きが常に同じ向きを向くように接続することで、放射電力向きの異なる放射素子から放射される電力が打ち消しあうことを抑制し、放射効率の低下を抑えることができる。
【００１８】
また、図６のように、地導体板５０の近くに給電点があり、らせん状導体が地導体板５０から離れていくように配置された構造において、給電点に近いらせん状の導線５１のピッチを狭く、あるいはらせん径を大きくし、単位長さあたりのインダクタンス値を大きくし、給電点から離れるに従って、らせん状導体５２から５５までのピッチを広く、あるいはらせん径を小さくすることで、単位長さあたりのインダクタンス値を徐々に小さくする。このように構成することで、給電点から離れて、地導体板との寄生静電容量が小さくなっても、√（L/C）で表されるインピーダンス値が小さくなるようにできるため、らせん状導体の共振周波数を下げることが可能になり、特定の周波数で共振するらせん状の導線の小型化が可能となる。
【００１９】
また、図７のように、給電点６１に接続されたらせん状の導線６２と、給電点６１と分離したらせん状導線６３に分けることで、放射抵抗を低くすることができ、放射効率を向上させることができる。また、電波を給電点６１から、らせん状導線６３の方向、あるいはその逆方向へ放射することができる。
【００２０】
実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態１あるいは２のアンテナ一体化高周波半導体基板のためのらせん状導線の構造を示す実施の形態３の構成図である。この発明に係るアンテナ一体化高周波半導体基板は、上面に作製された入力端子１０１と、出力端子１０２と、導線１０３、１０４、１０５と、裏面に作製された導線１０６、１０７、１０８、１０９と、貫通導線１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７からなり、１０１、１１０、１０６、１１１、１０３、１１２、１０７、１１３、１０４、１１４、１０８、１１５、１０５、１１６、１０９、１１７、１０２の順に接続され、らせん状の導線を構成している。
【００２１】
次に動作について説明する。
入力端子１０１に入力された高周波信号は、導線１１０、１０６、１１１、１０３、１１２、１０７、１１３、１０４、１１４、１０８、１１５、１０５、１１６、１０９、１１７を介して出力端子１０２へらせん状に導かれ、インダクタとして動作する。
【００２２】
また、この実施の形態３の貫通導線同士の間に中空あるいは基板の誘電率より低い誘電率をもつ材料により充填された貫通構造を設けることにより、放射の効率を向上させることが可能である。
【００２３】
実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態１あるいは２のアンテナ一体化高周波半導体基板のためのらせん状導線の構造を示す実施の形態４の構成図である。この発明に係るアンテナ一体化高周波半導体基板は、上面に作製されたキャビティ２０１と、キャビティ底面とキャビティ側面に作製された導線２０２、２０３、２０４、２０５、２０６と、キャビティ上面と同じ高さに作製された橋状の導線２０７、２０８、２０９、２１０、２１１、２１２からなり、２０７、２０２、２０８、２０３、２０９、２０４、２１０、２０５、２１１、２０６、２１２の順に接続されている。
【００２４】
次に動作について説明する。
導線２０７に入力された高周波信号は、導線２０２、２０８、２０３、２０９、２０４、２１０、２０５、２１１、２０６を介して導線２１２にらせん状に導かれ、インダクタとして動作する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
この発明によるアンテナ一体化基板は半導体基板上に形成された小型な無線回路の放射部分として用いることで、一体化による小型化と、低価格化が可能になり、例えば小型ワイヤレスセンサ等に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態１のアンテナ一体化高周波半導体基板の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２のアンテナ一体化高周波半導体基板の構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２におけるアンテナ一体化高周波半導体基板の他の実施例の構成図である。
【図４】この発明の実施の形態２におけるアンテナ一体化高周波半導体基板のまた別な実施例の構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２におけるアンテナ一体化高周波半導体基板のさらに他の実施例の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態２におけるアンテナ一体化高周波半導体基板のまたさらに他の実施例の構成図である。
【図７】この発明の実施の形態２におけるアンテナ一体化高周波半導体基板のまた他の実施例の構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３のアンテナ一体化高周波半導体基板に用いるらせん状導線の構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４のアンテナ一体化高周波半導体基板に用いるらせん状導線の構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０、２０；半導体基板、１１、２１、５０；地導体板、１２、２２、３４、３５、４１、４２、４３、４４、５１、５２、５３、５４、５５、６２、６３；らせん状導体、１３、２３、６１；給電点（入出力端子）、１４、２４、３０、３１；コンデンサ、３２；接続部、１０１；入力端子、１０２；出力端子、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９、２１０、２１１、２１２；導線、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７；貫通導線、２０１；キャビティ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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